面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式以太網(wǎng)終端平臺設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了在面向物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，完成對RFID讀卡器以及傳感器模塊數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于ARM7的以太網(wǎng)終端平臺。針對低成本嵌入式系統(tǒng)資源匱乏的問題，提出了把瀏覽器請求當(dāng)作函數(shù)調(diào)用的辦法，在平臺上實現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)。該平臺硬件部分采用ATMEL公司AT91SAM7X512微處理器作為主控芯片，軟件部分通過移植LwIP協(xié)議棧并調(diào)用其API實現(xiàn)了TCP客戶端和WEB服務(wù)器。平臺在取得數(shù)據(jù)后主動向上位機(jī)請求連接并傳送數(shù)據(jù)，上位機(jī)可通過網(wǎng)頁對平臺進(jìn)行訪問和設(shè)置。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；以太網(wǎng)終端；LwIP；嵌入式WEB服務(wù)器

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將用戶與物品或者物品與物品用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，并通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信的一種概念。物聯(lián)網(wǎng)主要通過信息采集設(shè)備以及能夠?qū)⑦@些信息采集設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的終端平臺來實現(xiàn)。近年來，嵌入式系統(tǒng)以其功能完善，設(shè)計方案靈活，功耗可控制等特點，已廣泛應(yīng)用于生活、商業(yè)、醫(yī)療以及工業(yè)等各個領(lǐng)域。比起通用計算機(jī)來，嵌入式系統(tǒng)具有針對性更強(qiáng)、體積更小，成本更低等優(yōu)點，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用設(shè)計的首選方案。對于一些數(shù)據(jù)量不大，傳輸速率要求不高的應(yīng)用，要考慮用較低的成本實現(xiàn)最可靠的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

1 平臺硬件設(shè)計
1．1 平臺結(jié)構(gòu)及原理
該平臺采用ATMEL公司AT91SAM7X512處理器作為主控芯片，該處理器內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器、512kbytes FALSH以及128kbytes SRAM。只需外接一片以太網(wǎng)物理層(PHY)收發(fā)芯片DM9161和一個網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680，即可構(gòu)成以太網(wǎng)終端硬件平臺。AT91SAM7X512采用3．3 V和1．8 V雙工作電壓，使用頻率為18．432 MHZ的晶振作為時鐘電路的振蕩源，調(diào)試電路采用標(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG仿真調(diào)試接口。該方案成本低，功耗小，并且所用芯片集成度很高因而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制模塊實現(xiàn)了一個與IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)兼容的以太網(wǎng)MAC，支持全雙工模式，可通過DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)物理層芯片DM9161接收到來自以太網(wǎng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)時，ARM通過MII接口(媒體獨立接口)讀取數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部通過DMA方式將數(shù)據(jù)讀入SRAM中交給TCP／IP協(xié)議棧進(jìn)行處理。同時，當(dāng)RFID射頻讀卡器或者傳感模塊有數(shù)據(jù)需要傳輸時，平臺也能沿著相同的通道將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1．2 AT91SAM7X512和DM9161的接口電路設(shè)計
AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制器和物理層收發(fā)芯片DM9161之間有MII(Media Independent Interface)和RMII(Reduced Media Independent Interface)兩種接口。這兩種接口都能夠工作在10 Mb／s和100 Mb／s共兩種速率下，在本設(shè)計中采用MII接口。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個信號，包括TX_ER，TXD3：0>，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD3：0>，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV等，在時鐘速率25 MHz的情況下以4-bit并行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)控制器依靠MDIO接口與物理層芯片進(jìn)行通信，用于自動協(xié)商期間確保以太網(wǎng)控制器和物理層芯片被配置為相同的速度和雙工模式。AT91SAM7X512和DM9161的接口電路如圖2所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，由AT91SAM7X512給DM9161提供復(fù)位信號及引腳初始化電平，完成DM9161的上電初始化工作。當(dāng)初始化完成后，系統(tǒng)會通過MII接口讀取DM9161內(nèi)部狀態(tài)寄存器的值來完成對網(wǎng)絡(luò)連接模式和連接狀態(tài)的檢測。

2 平臺軟件的實現(xiàn)
2．1 TCP／IP協(xié)議棧的移植
LwIP是瑞典計算機(jī)科學(xué)研究院(SICS)設(shè)計的一個開源的輕量級TCP／IP協(xié)議棧。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LwIP能夠適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。利用μC／OS-Ⅱ提供的信號量和消息傳遞機(jī)制等系統(tǒng)服務(wù)可以實現(xiàn)對LwIP的移植。
2．1．1 信號量操作函數(shù)
LwIP使用信號量進(jìn)行通信，這個信號量可以是計數(shù)信號量，也可以是二值信號量，所以在sys_arch中需要實現(xiàn)與信號量操作相關(guān)的信號量結(jié)構(gòu)體struct sys_sem_t、信號量建立函數(shù)sys_sem_new()、信號量釋放函數(shù)sys_sem_free()、信號量發(fā)出函數(shù)sys_sem_signal()和信號量等待函數(shù)sys_arch_sem_wait()。由于在μC／OS-Ⅱ中已經(jīng)實現(xiàn)了與信號量操作有關(guān)的各種函數(shù)，而且功能和上述幾個LwIP中所需要實現(xiàn)的函數(shù)的功能是完全一致的，所以只要調(diào)用μC／OS-Ⅱ中的信號量操作函數(shù)來重新包裝成LwIP中的信號量操作函數(shù)即可。
2．1．2 郵箱操作函數(shù)
LwIP使用郵箱來進(jìn)行消息傳遞，用戶可以用一個隊列來將其實現(xiàn)，需要注意的一點是，投遞進(jìn)郵箱中的消息只能是一個指針。因此要根據(jù)以上要求來實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：sys_mbox_new()、sys_mbox_free()、sys_mbox_post()和sys_arch_mbox _fetch()。μC／OS-Ⅱ很好地實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)及其操作，為消息隊列提供了豐富的管理函數(shù)，但μC／OS-Ⅱ沒有對消息隊列中的消息進(jìn)行管理，因而不能直接使用，必須在μC／OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn)。具體實現(xiàn)時，可創(chuàng)建多個郵箱，并使用單向鏈表將這些郵箱鏈接在一起，每個郵箱可接收消息的數(shù)量由消息數(shù)組的大小來決定。對消息隊列本身的管理用μC／OS-Ⅱ中的隊列操作函數(shù)來完成，然后通過對鏈表的操作來實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除和回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的郵箱功能。
2．1．3 創(chuàng)建新線程函數(shù)
在μC／OS-Ⅱ中只有任務(wù)的概念，建立一個新的線程實際上就是建立一個新的任務(wù)。因此只需要把OSTaskCreate()封裝一下，就可以實現(xiàn)sys_thread_new()。需要注意的是當(dāng)前μC／OS-Ⅱ不支持時間片輪番調(diào)度法，不允許兩個或兩個以上的任務(wù)有同樣的優(yōu)先級，所以用戶要事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。通過對LwIP中的宏TCPIP_THREAD_PRIO進(jìn)行包裝，來避免TCPIP線程優(yōu)先級與其他線程相同。
2．1．4 定時器函數(shù)
LwIP中每個線程都有一個timeouts鏈表，這個鏈表在建立之后其首地址必須固定。因此用于保存鏈表首地址的sys_timeouts結(jié)構(gòu)必須與線程一一對應(yīng)，而且其地址不能改變，以便能夠隨時得到鏈表的首地址?？捎靡粋€靜態(tài)的sys_timeouts結(jié)構(gòu)數(shù)組來存放各個線程的鏈表，以線程的優(yōu)先級號來作為數(shù)組索引號，這樣每一個線程就能對應(yīng)一個sys-timeouts結(jié)構(gòu)體了，并且在系統(tǒng)運行期間對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組成員的地址會一直固定不變。移植時通過實現(xiàn)stmctsys_timeouts*sys_arch_timeouts(void)函數(shù)，來返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeouts隊列指針。
2．2 驅(qū)動程序
操作系統(tǒng)是通過各種驅(qū)動程序來和各種硬件打交道的，驅(qū)動程序為用戶屏蔽了各種各樣的硬件設(shè)備，而只提供了簡單明了的函數(shù)接口給操作系統(tǒng)調(diào)用。LwIP已經(jīng)設(shè)計好了這些框架，用戶只需嚴(yán)格按照順序完成與底層硬件相關(guān)的部分即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口層和IP層的通信。需要實現(xiàn)的包括：底層網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)ethernetif_init()、網(wǎng)卡接收函數(shù)ethernetif_input()、網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù)ethernetif_output()和網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ethernetif_isr()等。驅(qū)動程序完成了對設(shè)備的初始化、釋放和管理，并且完成對底層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接收、搬運和發(fā)送。
2．3 應(yīng)用程序
系統(tǒng)應(yīng)用程序的任務(wù)主要是在嵌入式平臺上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信客戶端和HTTP網(wǎng)頁服務(wù)器兩方面的功能。利用LwIP提供的API，采用TCP協(xié)議客戶端到服務(wù)器通信的模式，實現(xiàn)嵌入式終端和上位機(jī)之間的通信。在這種模式下，嵌入式終端定義為客戶端，主動向服務(wù)器發(fā)起TCP連接；而上位機(jī)(PC)定義為服務(wù)器端，始終監(jiān)聽來自網(wǎng)絡(luò)的連接。嵌入式終端主要負(fù)責(zé)采集來自于傳感器或RFID模塊的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)。同時嵌入式終端平臺上也運行著一個HTTP網(wǎng)頁服務(wù)器，上位機(jī)(PC)可通過網(wǎng)頁對嵌入式終端平臺進(jìn)行訪問、查看和設(shè)置。